随着大功率与超大功率集成电路在轨道交通、通讯以及航天航空领域普及应用,其所需的封装基板的可靠性重要程度日益凸显。Si3N4陶瓷材料因优异的力学性能和导热性能而成为用于严苛环境的封装基板材质的优先选择。然而较为高昂的制备成本限制其应用领域。因此,如何在保持Si3N4陶瓷材料优良综合性能前提下降低其制备费用是Si3N4陶瓷基板大规模商业应用需要解决的问题。基于降低Si3N4陶瓷制备成本的需求,本文选取价格相对低廉Si粉和α-Si3N4粉为原料粉体、以Mg O和Y2O3作为烧结助剂、结合氮化催化剂ZrO2,采用氮化处理和无压烧结工艺制备Si3N4陶瓷。研究Si粉含量和烧结保温时间对Si3N4陶瓷的显微形貌、相组成、力学性能和导热性能等方面的影响;并在此基础上,研究ZrO2含量变化对Si3N4陶瓷的显微结构、相组成、力学性能和导热性能的影响;并针对ZrO2变量特征选取相关样品进行退火处理,研究不同退火温度对Si3N4陶瓷结构和性能的影响。主要研究内容及结论如下:以不同比例Si粉和α-Si3N4粉为原始粉料,以Mg O和Y2O3为复合烧结助剂,ZrO2为氮化催化剂,使用无压烧结工艺保温不同时长制备成Si3N4陶瓷。同时使用α-Si3N4粉为原料,Mg O和Y2O3为复合烧结助剂,以相同的工艺制备Si3N4陶瓷进行对比,研究Si粉含量和保温时长对Si3N4陶瓷结构和性能的影响,研究结果表明,保温时间延长促进晶粒生长,Si粉含量和保温时间影响样品的物相组成,在相同工艺条件下,添加一定量的Si粉有利于样品致密度和力学性能的提高,当Si粉含量为15%（按Si粉氮化成Si3N4的质量占Si3N4总质量计算）和6小时保温条件下,样品的三点抗弯强度为826 MPa,断裂韧性为8.6 MPa·m1/2,热导率为61 W/（m·K）,相对于未添加Si粉的样品而言,其抗弯强度提升15%以上,断裂韧性提升30%以上。在Si粉含量为15%的基础配方上,研究ZrO2含量的小幅度变化对样品结构和性能的影响。研究结果表明,ZrO2的添加量在一定程度上有利于Si3N4陶瓷晶粒生长;ZrO2含量的变化对烧结后的Si3N4陶瓷晶间相有明显的影响,其添加量与Si3N4陶瓷的热导率之间呈现正相关关系,力学性能随着ZrO2的添加而呈现先上升后下降的趋势。从相组成、力学性能和导热性能几方面综合而言,ZrO2含量有一定范围的工艺窗口,当ZrO2添加量为1.5～1.8 wt%（15Si-10Z和15Si-12Z）时,样品具有相近的综合性能,其维氏硬度分别为14.8 GPa和14.9 GPa,断裂韧性分别为8.6 MPa·m1/2和8.5MPa·m1/2,抗弯强度分别为827 MPa和826 MPa,热导率分别为59.56 W/（m·K）和60.99 W/（m·K）。基于上述研究结果,选取ZrO2含量分别为1.8 wt%（15Si-12Z）和2.1 wt%（15Si-14Z）的Si3N4陶瓷样品进行2小时的中温段（1275℃～1500℃）退火热处理,研究退火温度对Si3N4陶瓷相组成和性能的影响。研究结果表明,退火会促进晶粒间的玻璃相转化成结晶相和促使结晶相转化;随着退火温度的升高,样品力学性能呈现下降趋势,ZrO2含量增加一定程度上抑制退火对力学性能的负面影响;退火处理有利于样品热导率的提升和介电损耗的下降。经1350℃退火处理的15Si-14Z样品具有良好的综合性能,其维氏硬度、断裂韧性、抗弯强度、热导率、耐击穿强度和介电损耗分别为:14.4 GPa、7.9 MPa·m1/2、762 MPa、65 W/（m·K）、23.1 KV/mm和0.0011。本研究采用Si粉和Si3N4粉为原料,结合无压烧结工艺,以较低成本成功制备出力学、电学和导热等综合性能良好的Si3N4陶瓷,为Si3N4陶瓷基板材料的低成本制备研究提供有益的参考。通过进一步的研究,有望实现更高性能Si3N4陶瓷基板材料的无压烧结制备,拓宽其应用领域。